李臣

(江蘇海事職業(yè)技術學院 輪機電氣與智能工程學院,江蘇 南京 211170)

1 概述

噴水推進泵是一種不同于常規(guī)螺旋槳推進的船舶動力裝置,其產生的推力借助水泵噴出水流產生的反作用力來推動船舶前進,并通過調整噴水推進泵噴口的方向或角度來改變水流噴出的方向實現船舶的前進或后退[1]。因此,這種機動靈活的噴水推進泵在無人艇、水翼艇、氣墊船以及觀光船等中小型船舶上得到了廣泛應用。目前,噴水推進泵的功率范圍較廣,其中由串列式軸流泵演化而來的噴水推進泵由于效率高,揚程大而得到研發(fā),串列式軸流泵通過發(fā)電機帶動串列的葉輪高速旋轉對液體產生的作用力使液體沿軸線方向輸送,液體輸出時產生的推力較高,從而獲得前進推進力[2]。王立祥[3]、傅建[4]等闡述了設計噴水推進串列式軸流泵的技術要求,并分析了前后葉輪的軸向距離與周向偏距等參數對泵性能的影響,如圖1 所示；孫壯壯[5]、趙宇[6]等利用數值和應用試驗設計的方法對雙葉輪串列式軸流泵的水力性能和內部流動進行分析,得到了性能較好的串列式噴水推進泵。

圖1 串列式噴水推進泵的葉柵結構

然而現有的串列軸流式噴水推進泵在使用時存在一些弊端,例如電機安裝區(qū)域需穿插轉軸導致密封性變差,轉軸與穿插孔的圓周間隙難密封等問題,這嚴重影響發(fā)電機的安全運行。因此我們設計一種密封性良好的串列軸流式噴水推進泵。

2 串列式噴水推進泵的結構設計

本串列軸流式噴水推進泵包括泵的外殼(1),在泵的外殼的內通過隔板(6)固定安裝電動機(7),同時該隔板將泵體結構分隔為兩個安裝區(qū)域,泵的外殼的頂部安裝有端蓋(4)通過橡膠墊(5)來封裝整體結構,這里的橡膠墊選用強力防水膠粘合的彈性橡膠圈,來提高端蓋與噴水推進泵外殼的密封效果,在隔板分隔的下部安裝區(qū)域內固定轉軸(11)穿過隔板中部的通孔與上部分隔區(qū)的電動機剛性連接,同時在隔板的下部設置了機械密封裝置(10)以保證隔板的可靠密封。在轉軸下部的定位銷處安裝有兩排葉輪(12),需保證兩排葉輪的定位銷沿轉軸有90°的角度以避免發(fā)生共振。在泵的外殼上同時開有兩個水流管道(2),分別于與隔板下部安裝區(qū)的流體流動區(qū)域相連,以保證流體的正常流動,如圖2。

圖2 串列軸流式噴水推進泵的整體結構

在泵體的下部安裝空間的開口位置設置了一個帶有固定環(huán)的圓環(huán)(15),如圖3 所示。固定環(huán)(31)與圓環(huán)(15)之間通過四組連接桿(30)固定,為了保證固定環(huán)內可靠的通過轉軸,在其內部設置有密封件的不銹鋼滾珠軸承(32),將軸承的內環(huán)與轉軸的定位銷可靠的固定在一起,起到對轉軸的支撐和定位作用,同時也降低了轉軸旋轉時的摩擦力,保證了電動機帶動葉輪的可靠運行。圓環(huán)的內部設置有四組過濾網(33),分別固定安裝于圓環(huán)內的扇形區(qū)域,當流體流過時,可以過濾對流體中的大部分雜質,防止其進入噴水推進泵內腔內。

圖3 底部固定圓環(huán)(15)結構圖

同時電動機(7)的外壁有兩組固定塊(8,9)分別通過可拆卸式連接螺栓將其固定在噴水推進泵殼體上,既保證了電動機可靠地固定在噴水推進泵上減小振動,又可以便于拆卸維修。在噴水推進泵的外殼上安裝有通過電磁開關控制的微型氣泵(16),它是通過兩組固定條(17)焊接上的,且它的輸出端固定連接有高壓輸氣管(18)以保證高壓氣體的輸入。

在噴水推進泵的外殼上還安裝有控制器(21)、氣壓傳感器(22)以及水壓傳感器(26)等等,氣壓傳感器和水壓傳感器的主要作用是實時監(jiān)測噴水推進泵微型氣泵管路內的氣壓以及下部安裝區(qū)域內液體的壓力,他們一般包括傳感器感應探頭和傳感器轉換元件,通過殼體上的透孔進入噴水推進泵內部。

同時為了保證傳感器與透孔之間間隙的密封效果,通常在氣壓傳感器感應探頭(23)與第一個透孔之間的間隙內安裝密封圈(25),在水壓傳感器感應探頭(27)與第二個透孔之間的間隙內安裝密封圈(29)。

3 本泵的使用流程

本噴水推進泵的使用較為簡單,在使用時,首先啟動電動機,電動機產生的扭矩通過轉軸傳遞至兩個葉輪,帶動兩個葉輪的高速旋轉運動,從而推動流體沿軸線方向向后運動,產生一定的速度和壓力,該作用力同時反作用于轉軸與電動機之間的推力軸承,通過推力軸承將該作用力傳遞給噴水推進泵以及船體。在這其中隔板底部的機械密封裝置可以有效提高轉軸與隔板之間間隙的密封效果,加之設置了微型氣泵來向上部安裝區(qū)域內增壓設置氣封裝置,以避免轉軸與通孔之間的間隙發(fā)生滲漏。

在噴水推進泵工作過程中傳感控制系統(tǒng)也起到了重要的作用,水壓傳感器感應探頭實時感應第二安裝區(qū)域內的水壓壓力,將感應信號及時傳遞到水壓傳感器的轉換元件,并將感應信號轉換為水壓壓力的電信號并傳輸到控制器,與此同時,氣壓傳感器的感應探頭實時感應第一安裝區(qū)域內的氣壓壓力,將感應信號傳遞到氣壓傳感器的轉換元件并轉換為氣壓壓力的電信號并傳輸至控制器。當水壓壓力高于氣壓壓力時,控制器控制電磁閥(20)打開,啟動微型氣泵向第一安裝區(qū)域進行增加壓縮空氣,當第一安裝區(qū)域內氣壓壓力高于第二安裝區(qū)域的水壓壓力時,這時轉軸與透孔之間的間隙處就不會發(fā)生滲漏,從而保證了電動機的安全。

4 結論

與現有軸流泵相比,本文設計的串列軸流式噴水推進泵通過設置獨特的機械密封裝置,能夠有效改進轉軸與透孔之間間隙的密封效果,避免流體的滲漏,同時,在結構設計中配備了微型氣泵以增加第一安裝區(qū)域的氣壓壓力,來避免轉軸與透孔之間的圓周間隙的滲漏,這為提升電動機的防潮性能和可靠性提供了保障。另外在噴水推進泵工作過程中傳感控制系統(tǒng)也起到了重要的作用,水壓傳感器感應探頭實時感應第二安裝區(qū)域內的水壓壓力,將感應信號及時傳遞到水壓傳感器的轉換元件,并將感應信號轉換為水壓壓力的電信號并傳輸到控制器,與此同時氣壓傳感器的感應探頭實時感應第一安裝區(qū)域內的氣壓壓力,將感應信號傳遞到氣壓傳感器的轉換元件并轉換為氣壓壓力的電信號并傳輸至控制器。當水壓壓力高于氣壓壓力時,控制器控制電磁閥(20)打開,啟動微型氣泵向第一安裝區(qū)域進行增加壓縮空氣,當第一安裝區(qū)域內氣壓壓力高于第二安裝區(qū)域的水壓壓力時,這時轉軸與透孔之間的結合位置就不會發(fā)生滲漏,從而保證了電動機的安全。盡管該串列式噴水推進泵性能并非最優(yōu),但是他在實際應用中的可靠性和液體泄漏大大減少,符合工程應用的需要。